小型DCモーターの駆動

ブラシ付きDCモーターは、自動車から産業用途、消費者製品に至るまで、あらゆる業界で使用されています。フロントガラスのワイパー、ミシン、ドリル、エアコンプレッサー、さらにはおもちゃの車に至るまで、様々な製品で見つけることができます。より効率的で高トルクのブラシレスモーターを利用する現代的なアプリケーションもありますが、これらは駆動するためにはるかに多くのソフトウェアと電子ハードウェアが必要です。一方、ブラシ付きDCモーターは非常に安価で効果的であり、作成する製品によっては、手放せないものになるかもしれません。比較的小さなブラシ付きDCモーターを持っており、それを前進および後進の両方で駆動したい場合は、ハーフブリッジ（Hブリッジ）が必要です。

Hブリッジを使用すると、モーターに適用される極性を切り替えることができます。これにより、モーターを前進または後進させたり、モーターを電源から切断したり、電気ブレーキとして動作させるためにショートさせたりすることができます。10アンペア以上を駆動できる完全に統合されたHブリッジが見つかることもありますが、大半は4アンペア以下で評価されています。コンパクトなICパッケージは、ドライバーの電流容量に制限を加えるほどの熱放散を許容することができるだけです。一つのパッケージに4つのコントローラーが統合されていることが非常に一般的であり、単一のものではなく、2つのモーター出力を持つモータードライバーICを見つけることがより一般的です。単一のパッケージに複数のドライバーを持つことで、多くの状況で非常にコンパクトな設計が可能になります。なぜなら、ほとんどの産業用、自動車用、または消費者製品は複数のモーターを使用しているからです。

良い統合Hブリッジコントローラーは、デジタル電流制限を許可するか、少なくとも抵抗器によって設定された電流制限を許可します。ドライバーの内蔵コントローラーは、設定された限界以下で電流を保ちながら、モーターを駆動するためにパルス幅変調（PWM）を使用します。これは、ドライブ、モーター、PCB、および潜在的にはバッテリーを損傷から保護する素晴らしい方法です。DCモーターが停止した場合、それは本質的に直接のショートであり、非常に高い電流が流れ、モーター、ドライバー、または電流負荷の設計または評価されていないトレースやコネクターを迅速に損傷させる可能性があります。

検討すべき仕様

Hブリッジを探す際には、アプリケーションの選択肢を絞り込むためにいくつかの重要な仕様があります。

R_DS(on) - オン時のドレイン-ソース抵抗

FET抵抗は、統合回路で失われる熱量に直接関連する重要な仕様です。パッケージが十分に速く熱を取り除くことができない場合、統合回路は自己保護モードに入るか、その魔法の煙を放出する可能性があります。デバイスの定格電流に関係なく、真の制限は熱です。ドライバーの周囲に銅エリアをヒートシンクとして機能させるための限られたエリアがある場合、ドライバーが可能な限り少ない熱を発生させるようにR_DS(on)仕様を優先する必要があります。

R_θJA - パッケージ熱抵抗

過熱について言えば、パッケージの熱抵抗はかなり重要です。多くのドライバーには、ジャンクションから熱を遠ざけて回路基板上の銅へと移動させるために、底面に露出パッドがあるものもあります。熱抵抗は、熱をどれだけ早く取り除くことができるかを決定し、RDS(on)の仕様と既知の銅の面積を用いて、最大ジャンクション温度T_J(max)に達するかどうかの計算を可能にします。

V_BB - モーター供給電圧

これはかなり自明の仕様です。これは、モーターを動かすためにドライバーに供給できる最大電圧です。これは、通常は別々でかつはるかに低いロジック制御電圧とは異なります。V_BBがモーターの電源のピーク電圧よりも高いことを確認してください。モーターをバッテリーで駆動する場合は、その公称電圧ではなく、完全に充電された/新しい電圧を考慮してください。

V_IN - ロジック供給電圧

現代のマイクロコントローラーは通常、1.8vまたは3.3vのロジックレベルを持っていますが、古いものは5vで動作しているかもしれません。ほとんどのドライバーは、約6ボルトまでの任意の正の電圧で満足しますが、一部は3.3v以下です。VINをマイクロコントローラーと同じ電圧レールに接続することになるでしょう。

I_OUT - 出力電流

使用可能な電流は、I_OUTの仕様ではなく、ジャンクション温度によって制限される可能性が高いです。しかし、モーターを連続して使用せず、ジャンクションが熱くなることなくモーターを断続的にパルス駆動する場合、出力電流の限界は考慮に値します。デジタルまたは抵抗によって電流を設定できるドライバーでは、この仕様は設定できる最大値になります。

真理値表

ほとんどのドライバーは、ドライバーを通してモーターを短絡して電気ブレーキとして機能させることを問題なく受け入れますが、一部のドライバーはこれを許可しません。モーターを短絡して電気的にブレーキをかけたい場合は、データシートの真理値表を確認して、両方の入力を高（または低）に設定するとモーターがブレーキされることを確認してください。その後、両方の入力を低（または高）に設定すると、各モーターリードが電源から切断されるコーストモードになります。

回路設計

統合Hブリッジの駆動は比較的簡単です。以下の回路図はAllegro A4954用で、私のオープンソースのSiemens SMTピックアンドプレースデュアルレーンフィーダーコントローラーからのものです（GitHubからその実装をダウンロードできます）。他のコンポーネントの電圧が安定していることを確認し、モーターが加速しているときにドライバーを駆動するために、入力にはいくつかのバルクキャパシタンスがあります。また、モーターの電流を設定するためにポテンショメーターを使用しています。各入力ラインには、Hブリッジが焼損した場合にマイクロコントローラーを保護する試みとして、33オームの抵抗があります。

モーターの配線とドライバーの間には保護ダイオードが必要ですし、モーターが停止したときに発生する過渡的な高電圧を抑制し、電磁干渉を減少させるためのデカップリングキャパシタも必要です。

統合ブラシモータードライバーの選択と使用は簡単ですが、設計における熱的考慮事項には十分注意する必要があります。ドライバーを壊したり、モーターに間欠的な「故障」が発生したりする最も簡単な方法は、パッケージを過熱させて直接故障を引き起こすか、熱的にシャットオフさせることです。

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